一種通過組合天線接收無線電信號的接收系統(tǒng)設計方法詳解

浮標通信技術是在傳統(tǒng)的無線通信技術的基礎上發(fā)展起來的。自從應用于對潛通信后，浮標通信便開始廣泛運用于各國的軍事通信中。但是，目前的浮標通信基本還是采用單一的全向天線來實現(xiàn)電磁波的接收，由于浮標一般放置在海平面上，容易受到海浪及潮汐的干擾，很容易使天線發(fā)生旋轉，有時甚至會發(fā)生側翻或者倒置現(xiàn)象，而傳統(tǒng)的全向天線又無法實現(xiàn)信號的可靠接收。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，本文提出了一種組合天線的設計方法。該組合天線包含兩種天線單元：一種為鞭狀天線，此天線能夠接收水平場的電磁波;另一種為磁感應天線，此天線能夠接收垂直電場的電磁波。通過兩種天線的組合并利用選頻電路和高頻放大電路，即可實現(xiàn)信號的可靠接收。

1 組合天線設計

1.1 鞭狀天線

鞭狀天線又稱為接地單極子天線。單極子垂直于地面，把地面假設為理想導體，地的影響可以用其鏡像代替，并且僅在地面上半空間存在電磁場。單極地饋天線可以等效為偶極子天線。在浮標通信中，一般把浮標筒表面假設為理想導體。其鞭狀天線模型如圖1所示。

鞭狀天線與偶極子天線相比，其波瓣方向朝行波方向傾斜，最大輻射方向偏了25°，半功率波束寬度由78°減小到60°。同時，與偶極子天線相比，兩 種天線的上半空間方向函數(shù)和方向圖相同，同時極化特性、頻帶特性等都相同。但是，鞭狀天線的輸入阻抗是偶極子天線的一半，原因主要是激勵電壓減半而激勵電流不變。同時鞭狀天線的方向系數(shù)是偶極子天線的兩倍，且因為場強不變而輻射功率減半，即只在半空間輻射，因此損耗電阻大，輻射效率低。鞭狀天線的遠場分量 Eθ的計算式如下：

本設計采用的鞭狀天線長度H為30cm，接收電磁波頻率為1.8MHz。經(jīng)計算可得，鞭狀天線的方向性為4.80左右，絕對增益能夠達到6dB。通過電磁波的場強分析，此增益基本能夠滿足遠程無線遙控系統(tǒng)的信號接收。

1.2 磁感應天線

磁感應天線又稱為電小環(huán)天線，環(huán)形天線分為圓環(huán)和方環(huán)兩種。本設計的電小環(huán)天線為圓環(huán)天線，且尺寸遠小于波長，因此，相同面積的方環(huán)或圓環(huán)都具有相同的遠場波瓣圖。磁感應天線的場分量的計算式如下：

與對偶極子天線相比，偶極子天線含有虛數(shù)因子，而環(huán)天線則沒有，這說明了偶極子天線和環(huán)天線在相同的電流饋電下，所輻射的場在時間上正交，這也是兩者 的最大區(qū)別。因此，環(huán)天線適用于水平方式布置取向，而偶極子天線一般采取平行于z軸取向。這亦符合天線長度遠小于波長的要求，即天線尺寸對波長趨近于零。 表1所列是環(huán)天線與偶極子天線的遠場比較。

1.3 組合天線

由于接收天線位于浮標筒中，浮標筒在海浪和風向的作用下，容易改變其方向和位置，甚至會發(fā)生傾覆，因此，采用單一天線模式不能確保信號的可靠接收。故可利用鞭狀天線和磁感天線的復合天線來增強信號的可靠接收。這樣，無論哪個天線失靈（如發(fā)生鞭狀天線的折斷或者傾覆），都可以利用另一個天線完成信號的接收。鞭狀天線為垂直極化天線，可接收垂直極化分量的磁場;磁感天線為水平極化天線，可接收水平極化分量的磁場，這樣，通過相互互補，兩個天線就能很好地接收來自發(fā)射天線的全向波。組合天線的結構設計為磁感應天線布設于浮筒內壁上，呈水平方式;鞭狀天線則布設于浮筒中央，垂直于磁感應天線。兩天線采用同一饋電方式接收。圖2為組合天線的設計模型。

為了保證兩個天線的獨立接收，鞭狀天線和磁感應天線需要增加絕緣材料以進行隔離，從而消除天線自帶的寄生因素，防止信號串擾。組合天線的實際布設圖如圖3所示。圖中導體即指鞭狀天線和磁感應天線，兩天線之間為絕緣材料。

2 信號的接收

組合天線接收的信號先后經(jīng)過L1、L2兩個鑒頻電感，然后經(jīng)場效應管V1濾波輸出，以送入高頻放大電路，選頻電路如圖4所示。

高頻放大接收電路是由兩個型號相同的三極管組成，從選頻網(wǎng)絡來的接收信號經(jīng)兩個三極管放大、電容濾波之后即可進入到解調電路進行解調。圖5所示是其高頻放大電路。

3 實驗與仿真結果分析

綜合系統(tǒng)實現(xiàn)后，可選擇HFSS11軟件對組合天線進行仿真，仿真結果表明，組合天線對無線電信號的接收能力很強，而且在天線旋轉或者側翻的情況下，仍能實現(xiàn)信號的可靠接收。天線在浮標桶截面為20cm時的波瓣圖如圖6所示。由圖可知，組合天線在現(xiàn)場情況下，基本能達到系統(tǒng)要求，天線的方向性系數(shù)達到 3.17，增益達到30dB。完全可滿足系統(tǒng)的要求。

通過對選頻電路和高頻放大電路進行CAD仿真可見，其發(fā)射系統(tǒng)采用2FSK調制方式，載波頻率為1.8MHz。首先，由晶體振蕩器產(chǎn)生頻率為 1.8MHz的中心頻率f0，然后通過邏輯電路產(chǎn)生兩個頻率分別為f1=f0+2kHz、f2=f0-2kHz的載波，頻偏△f=4kHz。指令數(shù)據(jù)序列可通過直接作用于其中一個載波進行調制，可以獲得2FSK信號。通過在陸上100公里及海上300公里范圍內的組合天線接收，其信號通過選頻電路和高頻放大電路后輸出的仿真波形如圖7所示。

4 結束語

本文給出了一種通過組合天線接收無線電信號的接收系統(tǒng)設計方法。結合組合天線的優(yōu)點，是可使天線接收系統(tǒng)工作在全天候狀態(tài)，從而避免在惡劣天氣環(huán)境下接收系統(tǒng)無法正常工作的缺陷。文中同時給出了信號的接收電路（包括選頻網(wǎng)絡及高頻放大電路等）。